Untersuche, überlege, forsche: Irreversible Vorgänge 134.1 E1 Sucht gemeinsam Beispiele für irreversible Vorgänge im Alltag und diskutiert den Grund für Irreversibilität. Was ist Entropie? Die Einführung des Begriffs Entropie ist eine der großen schöpferischen Leistungen in der Physik, vergleichbar mit der Formulierung der Relativitätstheorie. Rudolf Clausius (134.3) erkannte im Jahr 1865 bei der Untersuchung der Theorie der Wärmekraftmaschinen, dass der Quotient aus übertragener Wärme Q und Temperatur T eine wichtige Rolle spielt. Er führte eine neue physikalische Größe ein, die er Entropie S nannte. Er stellte fest, dass bei jedem Wärmetransport eine Entropieänderung ΔS stattfindet: ΔS = Q _ T Die Entropie ist eine Zustandsgröße, sie hängt nur vom aktuellen Zustand des isolierten thermischen Systems ab. Die Änderung der Entropie eines Systems beträgt: ΔS = Q _ T Q ist die übertragene Wärme, T die entsprechende Temperatur. Das neu geschaffene Wort Entropie ist dem Wort Energie nachempfunden. Energie weist auf die im System steckende Arbeitsfähigkeit (ergon, griech. bedeutet Arbeit) hin, Entropie auf die Umwandlungsfähigkeit. Für die Entropie S gilt im Unterschied zur Energie kein Erhaltungssatz. Während die Gesamtenergie in einem isolierten System erhalten bleibt, nimmt die Gesamtentropie bei irreversiblen Vorgängen (also bei praktisch allen natürlich ablaufenden Prozessen) zu. Dabei wird wie beim Energieerhaltungssatz vorausgesetzt, dass das System isoliert ist. Mit der Entropiezunahme ist eine zeitliche Entwicklung des Gesamtsystems verbunden. Im Beispiel gab es anfangs, d. h. in der Vergangenheit, Temperaturunterschiede im System, die sich im Lauf der Zeit ausgleichen. ΔS > 0 bestimmt die Richtung, in der irreversible Prozesse ablaufen, das System altert – die Zeit verstreicht! Wenn das Temperaturgleichgewicht erreicht ist, nimmt die Entropie nicht weiter zu und das System ändert sich nicht mehr, die Zeit ist stehengeblieben. Rudolf Clausius, der die Welt (= Erde) noch als isoliertes System ansah, hat die beiden Hauptsätze zusammengefasst: Die Energie der Welt ist konstant, die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu. Entropieänderung bei Wärmeübergang Wir betrachten ein System, das aus einem wärmeren Körper (Temperatur T1) und einem kälteren Körper (T2) besteht und berechnen die Entropieänderung des Systems beim Übergang von Wärme Q vom wärmeren auf den kälteren Körper (T2). Wenn ein Körper bei der Temperatur T die Wärmemenge Q aufnimmt, dann steigt seine Entropie um ΔS = Q/T. Bei Wärmeabgabe nimmt die Entropie des Körpers ab. Die gesamte Entropieänderung beträgt daher: ΔS = ΔS1 + ΔS2 = −Q/T1 + Q/T2 = Q·(T1 − T2)/(T1·T2). Wegen T1 > T2 ist also ΔS > 0. Die Entropie des Gesamtsystems nimmt zu, wenn Wärme von einem wärmeren auf einen kälteren Körper übergeht. Allgemein gilt: Wenn in einem isolierten System ein irreversibler Prozess stattfindet, dann nimmt die Entropie S dieses Systems zu: ΔS > 0 Bei reversiblen Prozessen bleibt die Entropie gleich: ΔS = 0 Die gesamte Entropie eines Systems kann nicht abnehmen. 134.1 Ein Tropfen Tinte verteilt sich im Wasser. Die zufälligen Bewegungen der Farbstoffteilchen (Brown’sche Bewegung) färben nach einiger Zeit das Wasser einheitlich. Die Entropie hat zugenommen, der Prozess ist irreversibel. 134.2 Vermischen (Verreiben) von Ölfarben ist ebenfalls ein irreversibler Prozess. 134.3 Rudolf Clausius (1822–1888) stellte im Jahre 1850 den zweiten Hauptsatz der Wärmelehre auf und zog daraus wichtige Schlussfolgerungen über Wärmekraftmaschinen. Im Jahre 1865 führte er den Entropiebegriff ein. 134 Thermodynamik 4 Energie und Entropie Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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